SkyCiv a publié un calculateur de charge de vent gratuit qui inclut plusieurs références normatives, y compris la norme ASCE 7-10 procédures pour calculer les charges de vent. Dans cette section, nous allons démontrer comment calculer les charges de vent, en utilisant un modèle d'entrepôt S3D, comme indiqué ci-dessous:
Figure 1. Modèle d'entrepôt dans SkyCiv S3D à titre d'exemple.
Figure 2. Localisation du site (tiré de Google Maps).
Le tableau 1. Données du bâtiment nécessaires pour notre calcul de charge de vent.
| Localisation | Cordova, Memphis, Tennessee |
| Usage | Divers – Structure industrielle |
| Terrain | Terres agricoles ouvertes |
| Dimensions | 64 pi × 104 ft en plan Hauteur des murs 30 pi Hauteur au faîte. 36 pi Pente du toit 3:16 (10.62°) Avec ouvertures |
| Enveloppe | Pannes espacées de 2 ft Montants de murs espacés de 2 ft |
Dans cet exemple, les pressions de vent, seront déterminées pour une grande, structure industrielle de trois étages. Fig. 1 montre les dimensions et la charpente du bâtiment. Les dimensions du bâtiment sont récapitulées dans le tableau 1.
Bien que plusieurs logiciels intègrent déjà les calculs de charge de vent dans leur conception et analyse, peu d'entre eux fournissent un calcul détaillé de ce type de charge. Les utilisateurs doivent souvent réaliser des calculs manuels pour vérifier si les résultats correspondent à ceux générés par les logiciels.
Formules de calcul de la charge de vent
Les formules suivantes déterminent la pression de vent de conception.
Pour les bâtiments fermés ou partiellement fermés:
\(p = qG{C}_{p} -{q}_{je}({GC}_{pi})\) (1)
Pour les bâtiments ouverts:
\(p = q{g}_{F}{C}_{p} -{q}({GC}_{pi})\) (2)
Où:
\(G) = facteur d'effet de rafale
\({C}_{p}\) = coefficient de pression externe
\(({GC}_{pi})\)= coefficient de pression interne
\(q ) = pression de vitesse, en psf, donné par la formule:
\(q = 0.00256{K}_{z}{K}_{zt}{K}_{d}V ^ 2 ) (3)
\(q ) = \({q}_{h}\) pour murs sous le vent, murs latéraux, et toitures,évalué à la hauteur moyenne du toit, \(h )
\(q ) = \({q}_{z}\) pour murs au vent, évalué en hauteur, \(Avec)
\({q}_{je}\) = \({q}_{h}\) pour pression interne négative, \((-{GC}_{pi})\) et \({q}_{z}\) pour l'évaluation de la pression interne positive \((+{GC}_{pi})\) de bâtiments partiellement clos, mais peut être pris comme \({q}_{h}\) de manière conservatrice.
\({K}_{z}\) = coefficient de pression de vitesse
\({K}_{zt}\)= facteur topographique
\({K}_{d}\)= facteur de directionnalité du vent
\(V ) = vitesse du vent de base en mph
Nous allons approfondir les détails de chaque paramètre ci-dessous. De plus, nous utiliserons la procédure directionnelle (Chapitre 30 de l'ASCE 7-10) pour résoudre les pressions de vent.
Explication des paramètres
Catégorie de risque
La première étape consiste à classifier la catégorie de risque du bâtiment, en fonction de son utilisation ou de son occupation. Dans cet exemple, étant donné qu'il s'agit d'une structure industrielle, celle-ci est de Catégorie de risque IV. Voir le tableau 1.5-1 de l'ASCE 7-10 pour plus d'informations sur la classification des catégories de risque.
Vitesse du vent de base, \(V )
L'ASCE 7-10 fournit une carte des vents où la vitesse de base du vent pour un emplacement donné peut être obtenue à partir des figures 26.5-1A à 1C. La catégorie d'occupation est définie et classée selon le Code International du Bâtiment (IBC).
En consultant les cartes des vents, prenez le numéro de catégorie le plus élevé de la catégorie de risque ou d'occupation définie. Dans la plupart des cas, y compris cet exemple, ils sont identiques. D'après la figure 26.5-1B, Cordova, Memphis, Tennessee est proche du point rouge sur la figure 3 ci-dessous, et à partir de là, la vitesse de base du vent, \(V ), est 120 mph. Notez que pour d'autres emplacements, il peut être nécessaire d'interpoler la valeur de la vitesse de base du vent à partir des lignes de contour.
Figure 3. Carte des vitesses de vent de base de l'ASCE 7-10.
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Catégorie d'exposition
Voir la section 26.7 pour les détails de la procédure de détermination de la catégorie d'exposition.
Selon la direction du vent sélectionnée, l'exposition de la structure doit être déterminée à partir du secteur de 45° en amont. L'exposition à adopter doit être celle qui produira la charge de vent la plus élevée dans cette direction.
Chaque classification d'exposition est décrite en détail dans les sections 26.7.2 et 26.7.3. Pour mieux illustrer chaque cas, des exemples de chaque catégorie dans le tableau ci-dessous.
Le tableau 2. Exemples de zones classées selon la catégorie d’exposition (Chapitre C26).
| Exposition | Exemple |
|---|---|
| Exposition B |
|
| Exposition C |
|
| Exposition D |
|
Dans notre exemple, étant donné que la structure est située dans une région agricole à Cordova, Memphis, Tennessee, sans bâtiments de plus de 30 pi, la zone est classée en Exposition C. Un outil utile pour déterminer la catégorie d'exposition est de visualiser le site potentiel via une image satellite (Google Maps par exemple).
Facteur de Directionnalité du Vent, \({K}_{d}\)
Le facteur de directionnalité du vent, \({K}_{d}\), pour notre structure est de 0.85 car le bâtiment sert de principal système résistant aux forces du vent et comporte également des composants et des revêtements fixés à la structure. Cela est illustré dans le tableau 26.6-1 de l'ASCE 7-10 comme indiqué dans la figure 4.
Figure 4. Facteur de direction du vent basé sur le type de structure (Le tableau 26.6-1).
Facteur Topographique, \({K}_{zt}\)
Étant donné que la structure est située sur un terrain plat, nous pouvons supposer que le facteur topographique, \({K}_{zt}\), est 1.0. Sinon, ce facteur peut être calculé à l’aide de la figure 26.8-1. Pour déterminer si plus de calculs sont nécessaires, voyez la section 26.8.1, Si votre site ne répond pas à toutes les conditions énumérées dans la section, le facteur topographique peut être pris comme étant 1.0.
Figure 5. Paramètres nécessaires au calcul du facteur topographique, \({K}_{zt}\) (Le tableau 26.8-1).
Remarque: Les facteurs de topographie peuvent être calculés automatiquement en utilisant Logiciel de conception de vent SkyCiv
Coefficient de Pression de Vitesse, \({K}_{z}\)
Le coefficient de pression de vitesse, \({K}_{z}\), peut être calculé à l’aide du tableau 27.3-1. Ce paramètre dépend de la hauteur au-dessus du sol du point où la pression du vent est considérée, ainsi que de la catégorie d'exposition. De plus, les valeurs présentées dans le tableau sont basées sur la formule suivante:
Pour 15 pieds < \({z}\) < \({z}_{g}\): \({K}_{z} = 2.01(avec/{z}_{g})^{2/une}\) (4)
Pour \({z}\) < 15pi: \({K}_{z} = 2.01(15/{z}_{g})^{2/une}\) (5)
Où:
Le tableau 3. Valeurs de et \({z}_{g}\) de la table 26.9-1 de l'ASCE 7-10.
| Exposition | une | \({z}_{g}\)(pi) |
| B | 7 | 1200 |
| C | 9.5 | 900 |
| D | 11.5 | 700 |
Habituellement, les coefficients de pression de vitesse à la hauteur moyenne du toit, \({K}_{h}\), et à chaque niveau d'étage, \({K}_{journée}\), sont les valeurs dont nous avons besoin pour déterminer les pressions de vent de conception. Dans cet exemple, comme la pression du vent sur le côté au vent est de nature parabolique, nous pouvons simplifier cette charge en supposant que la pression est uniforme entre les niveaux d'étage.
La structure a (3) étages, nous diviserons donc la pression de vent au vent sur ces niveaux. De plus, comme il s'agit d'un toit à deux versants, la hauteur moyenne du toit est la moyenne entre les égouts et le faîtage, lequel est 33 pi.
Le tableau 4. Valeurs calculées du coefficient de pression de vitesse à chaque hauteur.
| l'élévation (pi) | \({K}_{z}\) |
| 10 | 0.85 |
| 20 | 0.90 |
| 30 | 0.98 |
| 33 | 1.00 \({K}_{zh}\) |
Pression de vitesse
D'après l'équation (3), nous pouvons résoudre la pression de vitesse, \(q ) en PSF, pour chaque hauteur considérée.
Le tableau 5. Valeurs calculées de la pression de vitesse à chaque hauteur.
| l'élévation (pi) | \({K}_{z}\) | \(q )(psf) | Remarques |
| 10 | 0.85 | 26.63 | 11er étage |
| 20 | 0.90 | 28.20 | 2ème étage |
| 30 | 0.98 | 30.71 | Avant-toit |
| 33 | 1.00 | 31.33 | Hauteur moyenne du toit, \({q}_{h}\) |
Méthodologie de calcul
Facteur d'Effet de Rafale, g
Le facteur d'effet de rafale, \(G), est fixé à 0.85 car la structure est supposée rigide (Section 26.9.1 de l'ASCE 7-10).
Coefficient de Pression Interne et Classification de l'Enveloppe
La structure est supposée partiellement fermée, conformément à la section 26.2 de l'ASCE 7-10. C'est à dire, le coefficient de pression interne, \(({GC}_{pi})\), sera donc de +0.55 et -0.55 selon le tableau 26.11-1 de l'ASCE 7-10.
Figure 6. Coefficient de pression interne, \(({GC}_{pi})\) (Le tableau 26.11-10).
Coefficient de pression externe, \({C}_{p}\)
Pour les bâtiments fermés ou partiellement fermés, le coefficient de pression externe, \({C}_{p}\), est calculé à l’aide des informations fournies dans les figures 27.4-1 à travers la figure 27.4-3. Pour un bâtiment partiellement fermé avec un toit à deux versants, utiliser la figure 27.4-1.
Les coefficients de pression externes pour les murs et le toit sont calculés séparément en fonction des paramètres du bâtiment L, B, et h, définis dans la note 7 de la figure 27.4-1.
C'est à dire, nous devons calculer le KG et h / L:
Hauteur moyenne du toit, h = 33′
Longueur du bâtiment, L = 64′
Largeur du bâtiment, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317
Utilisant ces valeurs, on peut obtenir les coefficients de pression externe, \({C}_{p}\), pour chaque surface à l'aide du tableau 27.4-1. Notez que nous pouvons utiliser l'interpolation linéaire lorsque l'angle du toit, θ, KG, et h / L les valeurs se situent entre celles qui figurent dans le tableau. Dans notre exemple, les coefficients de pression externe de chaque surface sont indiqués dans les tableaux 6 à 8.
Le tableau 6. Coefficients de pression externe calculés pour les surfaces murales.
| Surface | \({C}_{p}\) |
| Mur au vent | 0.8 |
| Mur sous le vent | -0.5 |
| Mur latéral | -0.7 |
Le tableau 7. Coefficients de pression externe calculés pour les surfaces de toit (charge de vent le long de L).
| Coefficients de pression externe pour le toit \({C}_{p}\) (le long de L) | ||||||
| h / L | Au vent | Sous le vent | ||||
| 10° | 10.62° | 15° | 10° | 10.62° | 15° | |
| 0.5 | -0.9 -0.18 |
-0.88 -0.18 |
-0.7 -0.18 |
-0.50 | -0.50 | -0.50 |
| 0.516 | -0.91 -0.18 |
-0.89 -0.18 |
-0.71 -0.18 |
-0.51 | -0.51 | -0.50 |
| 1.0 | -1.3 -0.18 |
-1.26 -0.18 |
-1.0 -0.18 |
-0.70 | -0.69 | -0.60 |
Le tableau 8. Coefficients de pression externe calculés pour les surfaces de toit (charge de vent le long de B).
| Coefficients de pression externe pour le toit \({C}_{p}\) (le long de B) | ||
| h / B | Localisation | \({C}_{p}\) |
| 0.317 | 0 à h | -0.9 -0.18 |
| h / 2 à h | -0.9 -0.18 |
|
| h à 2h | -0.5 -0.18 |
|
| >2h | -0.3 -0.18 |
|
Coefficient de pression externe avec deux valeurs comme indiqué dans les tableaux 7 et 8 doit être vérifié dans les deux cas.
Pressions de vent de conception
Système Principal de Résistance au Vent
En utilisant l'équation (1), les pressions de vent de conception peuvent être calculées. Les résultats de nos calculs sont présentés sur des tableaux 8 et 9 ci-dessous. l faut noter que quatre cas seront considérés pour la structure, avec des pressions calculées en utilisant les valeurs \((+{GC}_{pi})\) et \((-{GC}_{pi})\) , et la \(+{C}_{p}\) et \(-{C}_{p}\) pour toit.
Le tableau 9. Pressions de vent de conception pour les murs.
| Pression de conception, \(p ), pour murs |
|||||||
| Élévation du sol | \({q}_{z}\), psf | Au vent | Sous le vent | Mur latéral | |||
| \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | ||
| 10 | 26.63 | 0.88 (0.88) | 35.35 (35.35) | -30.55 (-30.55) |
3.92 (3.92) |
-35.88 (-35.88) |
-1.41 (-1.41) |
| 20 | 28.20 | 1.94 (1.94) | 36.41 (36.41) | ||||
| 30 | 30.71 | 3.65 (3.65) | 38.12 (38.12) | ||||
| 33 | 31.33 | 4.07 (4.07) | 38.54 (38.54) | ||||
(Résultats SkyCiv Wind Load)
Le tableau 10. Pressions de vent de conception pour les surfaces de toit.
| Conception de la pression du toit, psf (le long de L) | Conception de la pression du toit, psf (le long de B) | ||||
| Surface | \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | Localisation (du bord au vent) |
\((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) |
| Au vent | -40.87 (-40.87) | -6.41 (-6.40) | 0 à h / 2 | -41.20(-41.20) | 12.44(12.44) |
| -22.03 (-22.03) | 12.44 (12.44) | h / 2 à h | -41.20(-41.20) | ||
| Sous le vent | -30.71 (-30.71) | 3.76 (3.83) | h à 2h | -30.55(-30.55) | |
| >2h | -25.22(-25.22) | ||||
(Résultats SkyCiv Wind Load)
Pour appliquer ces pressions à la structure, nous considérerons une seule travée sur la structure. Exemple de cas d'application 1 et 2 (pour les deux \(({GC}_{pi})\)) sont montrés dans les figures 7 et 8. La direction du vent indiquée dans les figures ci-dessous est le long de la longueur, L, du bâtiment.
Notez qu’un signe positif signifie que la pression s'exerce vers la surface, tandis qu’un signe négatif indique une pression s’éloignant de la surface. La longueur de travée est de 26 pieds.
Figure 7. Pression de vent appliquée sur une travée – \((+{GC}_{pi})\) et pression maximale absolue sur le toit.
Figure 8. Pression de vent appliquée sur une travée – \((-{GC}_{pi})\) et pression maximale absolue sur le toit.
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Composants et revêtement (C&C)
Les composants et les revêtements sont définis dans le Chapitre C26 comme: « Les composants reçoivent directement des charges de vent ou à partir du revêtement, et transmettent cette charge au SRFL», tandis que « le revêtement reçoit directement les charges de vent » Des exemples de composants incluent des fixations, pannes, montants, couvertures de toit, et fermes de toit et pour le revêtement : des couvertures murales, des murs rideaux, des couvertures de toit, des fenêtres extérieures, etc.
Au chapitre 30, la pression de conception pour les composants et revêtements est calculée à l’aide de l’équation (30.4-1), indiquée ci-dessous:
\(p = {q}_{h}[({GC}_{p})-({GC}_{pi})]\) (6)
Où:
\({q}_{h}\): pression de vitesse évaluée à la hauteur moyenne du toit, h (31.33 psf)
\(({GC}_{pi}\)): coefficient de pression interne
\(({GC}_{p}\)): coefficient de pression externe
Dans cet exemple, \(({GC}_{p}\)) est déterminé en utilisant la figure 30.4-1 pour Zone 4 et 5 (les murs), et Figure 30.4-2B pour la zone 1-3 (Le toit). Dans notre cas, le bon graphique dépend de la pente du toit pente du toit, θ, qui fait 7 °< θ ≤ 27 °. \(({GC}_{p}\)) peut être déterminé pour une multitude de types de toits représentés sur la figure 30.4-1 à travers la figure 30.4-7 et figure 27.4-3 dans le chapitre 30 et chapitre 27, respectivement.
Nous allons seulement calculer les pressions de vent de conception pour les pannes et les montants de mur. Les zones pour les pressions des composants et revêtements sont montrées dans la figure 9.
Figure 9. Emplacement du C calculé&Pressions C.
La distance a par rapport aux bords peut être calculée comme le minimum de 10% de la plus petite dimension horizontale ou 0.4h mais pas moins de 4% de la plus petite dimension horizontale ou 3 pi.
a : 10% de 64 pieds = 6.4 pi > 3pi
0.4(33pi) = 13.2 pi 4% de 64 pieds = 2.56 pi
a = 6.4 pi
Pressions sur les Montants de Mur (C&C Pression Murale)
À partir de la figure 30.4-1, l' \(({GC}_{p}\)) peut être calculé pour les zones 4 et 5 en fonction de la surface tributaire de vent. Il est important de noter que, selon la définition de la surface tributaire de vent dans le Chapitre C26: «pour mieux approcher la répartition réelle des charges dans ces cas, la largeur de la surface tributaire de vent utilisée pour évaluer \(({GC}_{p}\)) ne doit pas être inférieure au tiers de la longueur de la zone. » Ainsi, la surface effective de vent doit être le maximum entre:
Surface effective de vent = 10 pieds *(2pi) ou 10 pieds *(10/3 pi) = 20 pieds carrés. ou 33.3 pieds carrés.
Surface effective de vent = 33.3 pieds carrés.
Le positif et le négatif \(({GC}_{p}\)) pour les murs peuvent être approximés à l’aide du graphique ci-dessous, qui fait partie de la Figure 30.4-1:
Figure 10. Approximatif \(({GC}_{p}\)) valeurs de la figure 30.4-1 de l'ASCE 7-10.
Le tableau 11. C calculé&C pressions pour le montant mural.
| Zone | \(+({GC}_{p}\)) | \(-({GC}_{p}\)) | C&C Pressions, psf | |
| \(+({GC}_{p}\)) | \(-({GC}_{p}\)) | |||
| 4 | 0.90 | -1.0 | 10.97 45.43 |
-48.56 -14.10 |
| 5 | 0.90 | -1.2 | 10.97 45.43 |
-54.83 -20.36 |
Pannes (C&C Pression du toit)
De 30,4 à 2B, les pressions de vent effectives pour les zones 1, 2, et 3 peuvent être déterminées. Puisque les fermes sont espacées de 26 pieds, donc, ce sera la longueur des pannes. La zone de vent effective doit être le maximum de:
Zone de vent efficace = 26 pieds *(2pi) ou 26 pieds *(26/3 pi) = 52 pi2 ou 225.33 pieds carrés.
Surface effective de vent = 225.33 pieds carrés.
Le positif et le négatif \(({GC}_{p}\)) pour le toit peuvent être approximés à l’aide du graphique ci-dessous, dans le cadre de la figure 30.4-2B:
Figure 11. \(({GC}_{p}\)) valeurs de la figure 30.4-2B.
Le tableau 12. C calculé&C pressions pour pannes.
| Zone | +(gCp) | -(gCp) | C&C Pressions, psf | |
| +(gCpi) | -(gCpi) | |||
| 1 | 0.30 | -0.80 | -7.83 26.63 |
-42.30 -7.83 |
| 2 | 0.30 | -1.2 | -7.83 26.63 |
-54.83 -20.36 |
| 3 | 0.30 | -2.0 | -7.83 26.63 |
-79.89 -45.43 |
Ces calculs peuvent tous être effectués en utilisant Logiciel de calcul de charges de vent de SkyCiv pour les normes ASCE 7-10, 7-16, EN 1991, NBBC 2015, et AS 1170. Les utilisateurs peuvent choisir un emplacement de site pour obtenir les vitesses du vent et les facteurs topographiques, entrer les paramètres du bâtiment et générer les pressions de vent. Avec un compte professionnel, les utilisateurs peuvent l'appliquer automatiquement à un modèle structurel et exécuter une analyse structurelle dans un seul logiciel.
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MS Génie Civil
Références:
- Mehta, K. C., & Coulbourne, W. L. (2013, juin). Charges de vent: Guide des dispositions relatives à la charge du vent de l'ASCE 7-10. Société américaine des ingénieurs civils.
- Charges minimales de conception pour les bâtiments et autres structures. (2013). ASCE / SEI 7-10. Société américaine des ingénieurs civils.
